（机械制造及其自动化专业论文）高纯度氧化铝陶瓷凹球面精密磨削研究.pdf

中文摘要 氧化铝陶瓷在高温氧化物陶瓷中属化学性能稳定、机械强度高、硬度大、耐 磨性能好的一种高性能多用途工程陶瓷，它广泛用于冶金、机械化工、电子、生 物、航空和国防等领域。高纯度氧化铝陶瓷通过精密磨削达到较高的精度和表面 粗糙度时仍存在很多问题，所以分析高纯度氧化铝陶瓷的磨削特性，确定延性磨 削量级，选择适合的磨削方法和加工参数，对高纯度氧化铝陶瓷的实际应用具有 非常重要的意义。 通过实验对高纯度氧化铝陶瓷的性能进行分析研究，测试其硬度、断裂韧性， 分析其显微结构和物相组织等。考虑其脆性一延性转变的临界条件，选择合适的 临界切削深度，使得在精密加工时，单颗磨粒的切削深度小于氧化铝陶瓷的临界 切削深度，材料以延性方式去除。 球面范成加工原理研究。分析球面几何特性，给出曲面轮廓高度模型和磨削 曲面上的磨粒轨迹模型，通过公式得出曲面轮廓高度图形和磨粒磨削轨迹图案， 作为工件几何形状精度和表面磨削纹理分析的依据。 利用砂轮锐边进行球面范成加工方法的研究及加工工艺的分析，并根据砂轮 摆放角度与工件大小、砂轮大小的关系，加工时的加工参数选择等因素来考虑加 工方法的实现。根据加工工艺和加工参数选择砂轮，考虑砂轮的制造和修磨。利 用软件模拟仿真加工的过程和加工后的效果。考虑角度、中心高，x 方向、刀具 直径等参数对加工的影响及其带来的误差。 关键词：高纯度氧化铝陶瓷延性域磨削球面磨削仿真误差分析磨削试验 a b s t r a c t i nt h eh i g h t e m p e r a t u r eo x i d ec e i a l l a i cf a m i l y , a l u m i n ac e 戌m l i ci sah i g h - p o w e r e d , a l l - p u r p o s ee n g i n e e r i n g 嘣a l t i cw i t hs t e a d yc h e m i s t r yp e r f o r m a n c e ，h i g hm e c h a n i c a l i n t e n s i t ya n dh a r d n e s s ，f i n ew e a r a b l ep e r f o r m a n c e i ti sw i d e l yu s e di nm a n yr e a l m s , s u c h 嚣m e t a l l u r g y , m a c h i n ec h e m i c a l ，e l e c t r o n i c s ，b i o l o g y , a v i a t i o na n dn a t i o n a l d e f e n s e , e t e h o w e v e r , w h e nh i 。g h a l u m i n ac e r a m i co b t a i n sh i g hp r e c i s i o na n dl o w r o u g h n e s sb yp r e c i s i o ng r m d i n 岛t h e r ea r es t i l ll o t so fp r o b l e m st ob es o l v e d s of o r t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h em 曲- a l u m i n ac e r a m i c ，i ti sa l l i m p o r t a n tt oa n a l y z e g r i n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h eh i g h - a l u m i n ac e r a m i c , t om a k e 翻t l r et h el e v e lo f d u c t i l e g r i n d i n g ，a n dt oc h o o s es u i t a b l eg r i n d i n gm e t h o da n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r t h i st h e s i sa n a l y z e st h ep e i - f o r m a n c eo fh i g h - a l u m mc e r a m i ct h r o u g ha n e x p e r i m e n t , t e s t si t sh a r d n e s sa n d 五_ a c t i l r ct o u g h n e s s a n da n a l y z e si t sm i c r o s t r u c t u r e a n ds u b s t a n c es t r u c t l l l ea sw e l l i nc o n s i d e r a t i o no fi t sb r i t t l e n e s s - d u c t i l i t yc h a n g e ， w h e nt h ec u t t i n gd e p t ho fs i n g l eg r a ml e s st h a nt h e c r i t i c a lc u t t i n gd e p t ho fa l u m i n a c e r a m i c ，t h em a t e r i a li sw i p e do f fw i t hd u c t i l i t yi np r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n gb y c h o o s i n gs u i t a b l ec r i t i c a lc u t t i n gd e p t h t h ep r i n c i p l eo fs p h e r i c a ls u r f a c eg e n e r a t i o nm a n u f a c t u r i n gi sr e s e a r c h e di nt h i s t h e s i s 硼1 ee v i d e n c eo fa t l a l y z i n gp a r tg e o m e t r ys h a p ep r e c i s i o na n dg r o u n dg u r f a c e p a t t e r nc a nb ef o u n do u tb ys t u d y i n ga p h e r i c a ls u r f a c eg e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i c s ， g i v i n gt h es u r f a c ep r o f i l eh e i g h tm o d e la n dg r a i nt r a j e c t o r ym o d e lo fg r o u n ds i ：i r f a e e ， a n de d u c i n gt h ep i c t u r e so ft h es l l l f a c ep r o f i l eh e i g h ta n dg r a i ng r i n d i n gt r a j e c t o r y t h r o u g hf o r m u l a s o r i n d m gw h e e ls h a r pe d g ei su t i l i z e df o rr e s e a r c h i n gt h em a n u f a c t u r i n gm e t h o d s o fs p h e r i c a ls u r f a c eg e n e r a t i o na n df o ra n a l y z i n gi t sm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t o c o m p l e t et h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s u c hf a c t o r sa sp u t t i n ga n g l eo ft h eg r i n d i n g w h e e l ，t h es i z eo fp a r t sa n dt h es i z eo ft h eg r i n d i n gw h e e ls h o u l db ec o n s i d e r e d g r i n d i n gw h e e ls h o u l d b es e l e c t e d b yc o n s i d e r i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , m a c h i n i n gp a r a m e t e r s ，a n di t sm a k i n ga n dm e n d i n g t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n d b f f e c tc a nb es i m u l a t e db ys o f t w a r e t h ei n f l u e n c ea n de 1 1 o r so fm a n u f a c t u r i n g p r o c e s ss h o u l db ec o n s i d e r e dt h ep a r a m e t e r ss u c ha sa n g l e ，c e n t e rh e i g h t , xd i r e c t i o n , a n dt o o ld i a m e t e r k e y w o r d s - r n g h - a l u m i n a c e r a m i cd u c t i l er e g i m eg r i n d i n g s p h e r i c a ls l l l 噶a c eg r i n d i n gs i m u l a t i n g e r r o ra n a l y s e c 弛d i n ge x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：际万加签字日期：沙力易年，月f2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盎盘壁有关保留、使用学位论文的规定。 特授权岙鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i 长旁f b 签字日期：1 弼年，月，2 , - 日 翩鹳。喇 签字日期：卯占年，月堋 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 高纯度氧化铝陶瓷现状 第一章绪论 氧化铝陶瓷在高温氧化物陶瓷中属化学性能稳定、机械强度高、硬度大、耐 磨性能好的一种高性能多用途工程陶瓷，它广泛用于冶金、机械化工、电子、生 物、航空和国防等领域。氧化铝陶瓷是一种以以1 2 0 3 为主晶相的技术陶瓷，它 是在1 9 3 1 年由德国s i e m e n s 和h a l s a k a 公司作为火花塞应用而研制的，至今已有 7 0 多年的发展历史。由于它具有优良的电气性能，例如高频下介电损耗小、绝 缘电阻高，而且机械强度高、硬度大、熟膨胀系数小，耐磨性、耐腐蚀和耐冲击 性能好，因而至今仍在发展中，其产量逐年上升，并且取得了巨大的经济效益。 其主要用途为陶瓷刀具耐磨陶瓷和生物陶瓷。氧化铝生物陶瓷是最早被开 发的生物陶瓷材料之一。它是一种高纯的a 1 2 0 3 多晶体，在1 5 0 0 1 7 0 0 。c 烧结 而成。在人体生理环境中惰性极好，具有优异的生物相溶性，极高的抗压强度， 相当低的磨损率和摩擦系数。 氧化铝按其主晶相可分刚玉瓷( 主晶相为刚玉，a 1 2 0 3 9 5 ) 、刚玉- 莫来石 瓷( 主晶相为刚玉和奠来石，a 1 2 0 。约为5 0 ) 。也有入将a 1 2 0 。含量在9 9 以上 的称刚玉或纯刚玉瓷，8 5 以上的称高铝瓷。习惯上按a 1 2 0 。的质量成分称9 9 瓷、9 5 瓷等。我国大量生产9 5 瓷和7 5 瓷，少量9 9 瓷和9 7 瓷用于薄膜基片i i j 。 高铝瓷以其诸多优良性能，被广泛应用于国民经济各部门，机械、电子、医 药、食品、石油、化工、航空、航天等领域都用到高铝瓷配件。产品类型众多， 以性能划分为：耐磨件、绝缘件、耐酸碱件，耐温件，抗辐射器件等等，每一类 特性器件又有成百上千种产品。要求多项性能指标的高铝瓷件品种更多。以颜色 划分，有白、红、粉红、黄、黑、透明等等，各有不同的用途，随着科学技术的 不断进步，高铝瓷的应用领域将进一步拓宽，应用水平也必将越来越高【2 j 。 中国是高铝瓷生产大国，生产企业众多。高铝瓷产品的应用在中国许多工业 领域处于起步阶段，一些用户对该材料还缺乏实质性的了解，模仿国外的使用情 况较为普遍，生产企业尽管较多，但产量不高。 随着国民经济持续稳定发展，高铝瓷的应用范围将越来越广，总体上看，仍 以9 5 a 1 2 0 3 瓷生产为主，其高性能低造价的优势将进一步发挥作用。7 5 9 0a 1 2 0 3 材料依托制造技术的改进和严格工艺，仍将占据一部分市场，包括目前一些由 天津大学硕士学位论文第一章绪论 9 5 a 1 2 0 3 材料包揽的市场。9 9 a 1 2 0 3 瓷的生产比重将增大，许多新的应用领域， 最终都将使用9 9 a 1 2 0 3 瓷。9 9 a 1 2 0 3 瓷的实用生产工艺的进一步探索，已经十分 紧迫。原材料的规范化生产，超细超纯a 1 2 0 3 粉体加工技术的日渐完善，将推动 9 5 、9 9 a 1 2 0 3 瓷的质量更上一层。 1 2 课题意义 为了更好地发挥高纯度氧化铝陶瓷的应用领域和性能，现对高纯度氧化铝陶 瓷的精密磨削加工进行研究，考虑如何保证零件的几何尺寸精度和表面粗糙度要 求。表面粗糙度对零件的耐磨性、抗疲劳性能、配合精度等有很大的影响。磨削 表面的形成过程是砂轮表面磨粒与工件表面材料相互干涉的最终结果，砂轮尺寸 和粒度等特性参数和工件材料、磨削用量、砂轮转速、工件转速、机床状态等将 直接影响工件表面质量。因此，要提高工件表面加工质量，除了好的加工设备外， 还要求根据工件表面质量要求准确选择砂轮特性及磨削工艺参数，才能保证磨削 质量。对氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理的研究与对零件进行精密磨削加工的 工艺试验研究，进而提高工件的表面加工质量及形状精度，对提高精密磨削加工 水平有着十分重要的意义。 本文利用m g k l 4 2 0 精密磨床和陶瓷结合剂金刚石微粉砂轮对高纯度氧化铝 陶瓷进行一次性精加工，进行直接磨削来达到最终的形状精度和表面粗糙度，即 利用延性域加工原理进行镜面磨削，不仅能满足工件表面质量的要求，而且能够 获得比研磨、抛光加工更高的尺寸精度及形状精度，因此在大幅度提高生产率、 降低生产成本的同时又可提高零件的成品质量。因而它将具有重要的经济效益和 社会效益，具有广阔的应用前景和市场前景。 1 3 课题研究的主要内容 本课题的主要内容是研究高纯度氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理，陶瓷结 合剂金刚石微粉砂轮的制造和修整，球面范成加工方法在球形凹弧磨削加工中的 应用，m g k l 4 2 0 精密磨床对高纯度氧化铝陶瓷的一次性精加工。 1 、高纯度氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 分析高纯度氧化铝陶瓷的材料性能，包括物理性能，机械性能，显微结构等。 根据其维氏硬度，得出断裂韧性，从而得出高纯度氧化铝陶瓷延性域加工的临界 切削深度，为高纯度氧化铝陶瓷的延性域加工提供了理论依据。 2 、陶瓷结合剂金刚石微粉砂轮的制造和修整 天津大学硕士学位论文第一章绪论 陶瓷结合剂砂轮在磨削过程中能较好地保持外形，所以适合于成型磨削，可 对高纯度氧化铝陶瓷进行一次性精加工。给出了砂轮的具体参数，当量直径、粒 度、浓度等，修整时具体的砂轮线速度，工件台速度，切削深度，走刀次数，无 火花磨削次数的数值。 3 、球面范成加工原理 球面范成加工原理研究，分析球面几何特性，给出曲面轮廓高度模型和磨削 曲面上的磨粒轨迹模型，通过公式得出曲面轮廓高度图形和磨粒磨削轨迹图案， 作为工件几何形状精度和表面磨削纹理分析的依据。 4 ，凹球面磨削加工应用分析 进行了图例分析，考虑砂轮的摆放角度与砂轮当量直径的大小关系。计算出 加工时砂轮摆放角度的范围和最佳角度时所选砂轮的当量直径。研究高纯度氧化 铝陶瓷凹球面加工的加工工艺，加工时的加工参数选择，特别重点研究切削深度 的选择。根据加工工艺和加工参数选择砂轮，考虑砂轮的制造和修磨。利用软件 模拟仿真加工的过程和加工后的效果。考虑角度、中心高，x 方向、刀具直径等 参数对加工的影响及其带来的误差。 5 、m g k l 4 2 0 精密磨床对高纯度氧化铝陶瓷的一次性精加工 应用m g k l 4 2 0 精密磨床对高纯度氧化铝陶瓷进行精密磨削实验，验证球面 范成加工方法和高纯度氧化铝陶瓷延性加工的效应，实现对高纯度氧化铝陶瓷的 一次性精加工。 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 氧化铝陶瓷在高温氧化物陶瓷中属化学性能稳定、机械强度高、硬度大、耐 磨性能好的一种高性能多用途工程陶瓷，它广泛用于冶金、机械化工、电子、生 物、航空和国防等领域。 2 1 氧化铝陶瓷的物理特性 2 1 1 氧化铝陶瓷的密度测量 采用k q - 2 5 0 d b 型数控超声波清洗器，在2 0 。c 时清洗氧化铝陶瓷，然后测 量密度。测量的结果取平均值，如表2 1 所示，最后得氧化铝陶瓷的密度为3 9 1 管矗。 表2 1 氧化铝陶瓷的密度测量 试样号 1234 重量( g ) 6 2 26 2 1 3 9 3 9 l 体积( c m 3 ) 1 5 91 5 90 9 91 皴( g c m 3 ) 3 9 13 93 9 23 9 l 2 1 2 氧化铝陶瓷的气孔率测量 用密度法计算氧化铝陶瓷总气孔率，由公式( 2 1 ) 可计算出氧化铝陶瓷的 总气孔率为2 。 c = ( 1 一生) l00 公式( 2 1 ) 口 式中：a - 纯三氧化铝的密度3 9 9 9 e r a 3 ，k 氧化铝陶瓷的密度。 2 1 3 氧化铝陶瓷的常见物理性畿 氧化铝陶瓷常见的物理性能见表2 - 2 1 1 。 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 表2 - 2 氧化铝陶瓷的物理特性 i 能 密度导热系数 介电常数 热膨胀系数气孔率 i 材料( g c m 3 ) ( w m k )( 1 0 )( ) l 氧化铝陶瓷 3 9 1 2 59 8 82 2 2 氧化铝陶瓷的机械性能 2 2 1 氧化铝陶瓷的硬度、断裂韧性的测量 绝大部分工程陶瓷材料断裂方式为脆性断裂，其断裂行为较好地符合线弹性 力学所要求的裂纹尖端平面应变条件。预测结构材料的力学性能所必需的一个重 要参数是断裂韧性。断裂韧性k i c 是描述材料瞬间断裂时的裂纹尖端临界应力强 度，即瞬间断裂裂纹扩展阻力，是i 型裂纹系统所能承受的外加应力场强度的极 限值，在数值上等于i 型裂纹所在平面上材料的连结单元间的连接力在裂纹尖端 处引起的应力场强度的负值，即材料的本征韧性。硬脆材料的硬度高、脆性大， 一般用断裂韧性和断裂强度表征材料属性。这里要测量氧化铝陶瓷维氏硬度h v 并计算出它的断裂韧性k i c 。 压痕法( 订) 法是在v i c k e r s 硬度测定的同时，由压痕及其四角产生的裂纹 长度l ，弹性模量e 及维氏硬度h v 值求得k l c 的方法。目前，压痕断裂已经被 确立为决定陶瓷断裂韧性的一种简单且重要的技术。压痕断裂机理的出现给分析 陶瓷对受约束的尖锐接触点的明显复杂的形变断裂反应提供了一个基础。这种 方法的最大优点是用小试样即可测试，即在测h v 硬度的同时获得i q c 值。 l 、维氏硬度的测量 ( 1 ) 测量原理 使用h d 1 0 0 0 手动转塔硬度仪进行实验。使用锥 角为1 3 6 0 的四面体金刚石压头，使用预定载荷3 0 0 9 力缓慢均匀地压向试件表面，试件表面出现清晰菱形 压痕，使用显微镜测量菱形对角线d 1 、d 2 的值，以及 压痕边界的裂纹扩展长度l ，再用公式( 2 - 2 ) 即可求 出维氏硬度值，原理简图如图2 1 所示。 m ：1 8 5 4 乓公式( 2 - 2 ) d 2 式中：p 一预定载荷( g ) d 一压痕对角线d 1 、d 2 的算术平均值( 即1 ) 图2 - 1 维氏硬度的测量原理图 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 ( 2 ) 测量方法 在测试硬度之前，所测试材料的表面处理的好坏是至关重要的。首先将氧化 铝陶瓷试样放在精密磨床上磨平，并进行研磨、抛光处理。研磨时采用w i o 的 研磨膏进行粗研磨，再用w 5 的研磨膏进行半精研磨，最后用凡士林油、煤油和 1 2 0 0 号的氧化铝砂纸进行精研磨。抛光采用p g - 1 金相试样抛光机，使用c r 2 0 3 和水作为抛光剂，使用9 0 0 转分的转速进行抛光。 用立式金相显微镜观察压痕，准确测量出材料的大、小压痕的对角线尺寸 d 1 、d 2 及裂纹尺寸l ，并求得相应的d d = ( d l + d 2 ) 2 、a a = d 2 及c c = a + 1 ) 、，将 d 代入维氏硬度的计算公式中，求出维氏硬度值h v ，弹性模量e 用混合定律求 得。 测试材料的表面达到要求后，使用h i ) 1 0 0 0 手动转塔硬度仪观察石英陶瓷 的表面形貌，并进行硬度测量。选择3 0 0 9 的压力，载荷保持时间1 5 秒，得到的 压痕如图2 - 2 中的( b ) 图所示，捕捉压痕对角线的长度，从而得到所测材料的 维氏硬度值，多测几次，求平均值。可以看出，图形的中间部分是压头压出的凹 坑部分，周围是裂纹和变形区。由公式( 2 2 ) 和公式( 2 3 ) 分别计算氧化铝陶 瓷的硬度和断裂韧性。如果选择5 0 0 9 和1 0 0 0 9 的压力，载荷保持时间1 5 秒，得 到的压痕如图2 2 中的( c ) 图和( d ) 图所示，图片显示压痕周围出现崩塌现象， 表明压力已经超出了氧化铝陶瓷的承受范围。 ( a ) 压痕前表面 ( b ) 3 0 0 克力下的压痕 ( c ) 5 0 0 克力下的压痕 ( d ) 1 0 0 0 克力下的压痕 图2 - 2 氧化铝陶瓷的压痕 3 0 0 9 的压力时测试时的数据如表2 - 3 所示。 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 表2 - 3 测试维氏硬度数据 抛光前 抛光后 d ld 2dh vd lc 1 2dh v l1 5 1 61 7 5 4 1 6 3 5 1 4 8 01 3 5 l1 6 9 61 5 2 42 3 4 4 2 1 5 5 72 0 2 31 7 9 01 7 3 61 5 4 61 7 2 4 1 6 3 5 2 0 8 1 31 6 4 2 1 8 5 4 1 7 4 8 1 8 2 1 1 4 8 21 8 3 8 1 6 6 2 0 1 9 41 5 t 3 61 8 0 81 6 7 21 9 9 01 5 1 31 7 0 71 6 12 1 4 7 51 6 5 32 1 0 5 1 8 7 9 1 5 7 51 6 0 81 7 8 21 6 9 51 9 3 5 从测试数据可以看出，经过表面抛光处理后，试件表面硬度略有提高，这是 由于试件表面形成了一层塑性变形层，表层具有残余压应力所造成的。 2 、断裂韧性k 1 c 的计算 使用压痕法测量氧化铝陶瓷材料的k i c 值时，较小的压痕载荷下所得的结果 更接近实际。实验时载荷为3 0 0 9 力，计算公式如公式( 2 3 ) 所示脚。 k 砘眨疆p 如舢 公式( 2 3 ) 式中：k i c 一断裂韧性( m p a m i n ) 一维氏硬度( g p a ) e 一弹性模量( g p a ) a 一半对角线长度( p a n ) ，a a - - d 2 c 一半裂纹长度( 1 a m ) ，c c = 叶1 ) 当弹性模量e 为4 0 0g p a ，维氏硬度h v 为1 8 6 ，半对角线长度a 为8 p m ， 半裂纹长度c 为髭岫1 时，求得氧化铝陶瓷断裂韧性k i c 为3 5m p a m 垤。 2 2 2 氧化铝陶瓷常见机械性能 氧化铝陶瓷常见的机械性能见表2 - 4 ”。 表2 - 4 氧化铝陶瓷的机械特性 l 性能 弹性模量 珀松比u 维氏硬度抗弯强度断裂韧性 i 材料 e ( o p a )( g p a )( m p a )( m p a m l q i 氧化铝陶瓷 4 0 0o 2 71 8 65 0 0 3 5 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 2 3 氧化铝陶瓷的显微结构 氧化铝陶瓷的性能和质量很大程度上决定于其显微结构特征。 l 、环境扫描电镜简介 一 本次实验使用的是p h i l i p sx l 3 0 环境扫描电镜( e n v i r o n m e n t a ls c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ) ，简称e s e m 。e s e m 在3 0 k v 高压下分辨率为3 5 n m ，1 k v 电压下分辨率为2 5 n m ，环扫条件下分辨率为3 s n m ，能谱仪分辨率1 2 9 e v 。应 用范围：纳米材料、复合材料、陶瓷材料、金属材料，高分子材料、薄膜材料建 筑材料、生物材料、电子材料、导体与非导体地矿、考古等微观形貌观察及成分 分析【4 l 。 环境扫描电镜技术，采用压差光阑和两级真空系统，使被测样品能在设定的 均匀环境气氛下反应，气体二次电子探测器( g s e d ) 代替了e t 探测器，其对 光、热不敏感的特点，更利于样品的高温下的观察。 2 、氧化铝陶瓷显微结构分析 显微结构分析之前，氧化铝陶瓷需进行研磨、抛光处理，超声波清洗后用氢 氟酸浸泡2 4 - 4 8 小时，直到在显微镜下观察到明显的晶粒。用6 0 0 倍的显微镜观 察后，进行c c d 拍照，如图2 - 3 所示。 图2 - 3c c d 下的6 0 0 倍显微结构 采用p h i l i p sx l - 3 0 环境扫描电镜对氧化铝陶瓷材料的显微结构进行分析， 用能谱( e n e r g yd i s p e r s i v ex - r a y ，简称e d x ) 分析系统进行微区成分分析。氧 化铝陶瓷绝缘电阻高，制备试样时要进行镀金处理。氧化铝的显微结构如图2 4 中的( a ) 图和( b ) 图所示。 ( a ) 4 0 0 倍( b ) 2 0 0 0 倍 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 ( c ) 5 0 0 0 倍 国2 - 4 氧化铝陶瓷的显微结构 试件中氧化铝全部呈稳定的弘a 1 2 0 。相，结构致密，a 1 2 0 。晶体大小均匀，其 平均粒径为5 f u n ，没有异常长大的晶体，晶体多呈六边形粒状和短柱状，晶体之 间结合较好，玻璃相较少。微孔较小，多呈多角形和不规则形状，微孔尺寸一般 在3 - 8 9 m ，没有较大的微孔存在。9 9 瓷中玻璃相明显减少，晶粒间接触非常紧密 【扪。 氧化铝陶瓷物相组成如图2 - 5 所示，从图中可以看出，主要组成元素是砧 和o 元素，其单一成分a 1 2 0 3 纯度很高，达9 9 5 以上。 嘲 t t 4 - n 2 x j 】薯，m 一 t am t 口# 蜥b t ( e 自。啪 i t l t 媸n 2 “ o 自盘“h 0 u a i 蚴d t 椰1 2 加 鼍2 杉 h w _ _ m 一一一 一j 矗基。己隰；_ 。“ 嚣 图2 - 5 氧化铝陶瓷的物相图 3 、氧化铝陶瓷显微结构特征评价【6 】唧 氧化铝陶瓷的性能和质量很大程度上决定于其显微结构特征。 ( 1 ) 晶相组成、晶形及晶粒大小 薹 天津大学硕士学位论文 第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 氧化铝陶瓷通常为刚玉的单相多晶集合体，不应该出现其它结晶相。优质氧 化铝陶瓷基本上均呈完整的近六边形粒状，为刚玉的组成。主晶相的晶粒大小是 均匀的，个别过大晶粒的出现将影响氧化铝陶瓷的力学性能及光学性能。改善工 艺条件、掺加助烧剂、低温快烧技术和m g o 作为添加剂可以控制a 1 2 0 。晶粒的 长大，有利于改善a 1 2 0 a 陶瓷的韧性，提高其耐磨性。晶粒比较小时，磨损机理 主要是发生塑性变形和部分穿晶断裂，产生轻微磨损；晶粒比较大时，磨损机理 主要是发生晶界断裂，陶瓷呈小块碎屑剥落，产生严重磨损。 ( 2 ) 气孔的含量及分布 在氧化铝陶瓷中一般均存在气孔，对氧化铝陶瓷的性能有较大影响，应尽量 减少气孔的数量，并注意气孔的大小及分布。气孔存在于刚玉晶粒内部的称为晶 内气孔，气孔存在于晶粒之间的称为晶间气孔。其中晶间气孔对陶瓷的力学性能 影响较大，不仅会降低材料的机械强度和热稳定性，同时使材料的介电损耗增大， 严重影响材料的透明度。造成晶问气孔的主要原因是制坯时成型压力不足或烧成 温度控制不合理。采取适当工艺可减少瓷坯内的晶间气孔。氧化铝含量越高氧化 铝陶瓷中的气孔越少。 2 4 氧化铝陶瓷的临界切削深度 陶瓷材料的去除方式主要有脆性和塑性两种，陶瓷材料的临界切削深度8 9 c 是影响材料以哪种方式去除的一个重要因素。所谓临界切削深度，指的是硬脆材 料在压头作用下不发生裂纹扩展时压头的最大压入深度。它和单颗磨粒的最大切 削深度8 舯的关系，直接影响了材料的去除方式。 、 2 4 1 金刚石磨粒的压痕作用过程 金刚石压头作用在硬脆材料表面上的压力会引起中央径向裂纹和横向裂 纹，裂纹示意图如图2 - 6 所示【s 】【9 l 。 图2 - 6 金刚石压头作用变形和裂纹示意图 金刚石压头作用于硬脆材料表面的作用过程如图2 - 7 所示。 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 ( a ) ( d ) 图2 - 7 金月4 石压头作用过程示意图 当压头压入材料表面，压应力的作用使压头下部的试件材料发生非弹性流 动。裁荷不大时，卸裁后压痕保留，说明硬脆材料也存在一个延性变形区城范围， 如图2 - 6 所示。对于高韧性的硬脆材料，往往在压头侧面出现类似于金屑被切削 时的隆起现象，但不是很显著，尽管压痕所造成的这种材料流动是由许多因素引 起的，如材料的疏松、空腔、位错等，但这种非弹性流动均可归结为由预在缺陷 引起的位错滑移，即硬脆材料也存在显微塑性流动。若压痕仅由材料的显微塑性 变形( 流动) 形成，如图2 7 ( a ) 所示，则作用载荷p 与压痕特征尺寸2 a 有如 下关系： p = f 月h 2公式( 2 - 4 ) 式中：髻压头几何因子，维氏压头考= 1 8 5 4 4 h 一陶瓷材料硬度 硬脆材料表面生成裂纹的临界载荷p c 与陶瓷材料的硬度h 及断裂韧性k l c 相关，受力简图如图2 8 所示，临界载荷p c 用公式( 2 5 ) 表示： p c = 2 k 站审3 公式( 2 5 ) 式中： a 一系数，取值为1 3 5 0 0 2 0 0 0 0 j - ( ，c 一材料的断裂韧性； 日材料的维氏硬度 图2 8 理想磨粒的压痕示意图 只要压头( 磨粒) 上所受载荷超过临界值p c ，就会产生横向裂纹，当满足 横向裂纹扩展条件时，横向裂纹向前延伸并发展至工件表面，材料便以断裂方式 去除。载荷低于这临界值p c ，侧边裂纹就不会出现，磨粒和工件之间将产生塑 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 性流动，材料就以塑性变形的方式去除。 当p p c ，材料是通过空隙和裂纹的成形或延展、剥落及碎裂等方式来完成 脆性去除的。p p c 时塑性去除控制，材料是以剪切切屑成形方式去除的。 2 4 2 硬脆材料磨削过程中脆性一延性转变的临界条件 l 、单颗磨粒的最大切深 通常以单颗磨粒最大切深a 舯来综合研究各参数对磨削的影响。在设计磨削 试验时，考虑单颗磨粒的最大切削深度，选取磨削参数v i 、v w 、a p 的值。 单颗磨粒最大切深a z m 计算公式为： f a _ - 2 a 一丘e1 1 2 吃l p 公式( 2 - 6 ) 式中： a 。r _ 连续切削磨粒间距，衄； 、 工件的线速度，m s ；椰轮的线速度，m s 鼬一磨削深度，r a i n ；d r _ 砂轮的当量直径，姗 通过适当改变磨削参数的关系所近似计算的a 。值，可以从理论上推断出磨 削硬脆材料从脆性向延性转变的条件。 2 、硬脆材料磨削过程中脆性一延性转交的临界条件 根据断裂扩展准则，金刚石压头压痕周围生成裂纹的临界压痕深度为【1 0 】： a ，= 寺2 夸；击 公式沼， 式中： 九几何系数，1 3 5 0 0 2 0 0 0 0 ； 日压头锥顶半角，对于金刚石磨粒，取5 3 0 ； 毒一几何因子，对于维氏亚头，善- 2 ； 日一材料的硬度，m p s ；置，一材料的断裂韧性 应用扫描电镜观察压痕形貌发现，要使材料表面的裂纹数少于1 0 ，压痕 的临界深度应满足上面公式。 当单颗磨粒的最大切深a 鲫小于材料的临界深度时，即铀 a g c 时材料的去除 过程为塑性变形控制的延性域磨削过程；畸。吣时材料的去除为脆性断裂去除。 控制好单颗磨粒最大切深8 绷和材料的临界深度a g c 的数值即可实现硬脆材料磨 削过程中脆性一延性转变i l l 】。 天津大学硕士学位论文第二章氧化铝陶瓷的材料性能和去除机理 2 4 3 氧化铝陶瓷的临界切削深度 不同陶瓷材料的硬度和断裂韧性相差较大，所以材料的临界切削深度也有很 大的差别。假定知为1 5 0 0 0 ，那么由公式( 2 7 ) ，我们可以得到几种陶瓷材料的 临界磨削深度，如表2 5 所示。 表2 - 5 不同陶瓷材料的临界磨削深度a s 。 材料日( g p a ) k c ( m p a m l 尼)a g e ( r t m ) 氧化锆1 1 o83 4 5 氧化铝 1 8 63 53 氮化硅 1 6 9 6 8 2 碳化硅 2 3 7 5 2 9 石英陶瓷2 80 6 4 51 2 7 这里计算氧化铝陶瓷的临界切削深度时，维氏硬度取值1 8 6c , p a ，断裂韧性 取值3 5m p a m m ，最后得出氧化铝陶瓷的临界切削深度为3 1 m a ，如果要进行延 性域磨削则单颗磨粒的最大切深应小于氧化铝陶瓷的临界切削深度。 2 5 小结 试验用的高纯度氧化铝陶瓷呈稳定的a a 1 2 0 3 相，结构致密，a 1 2 0 。晶体大小 均匀，其平均粒径为5 t u a ，没有异常长大的晶体，晶体多呈六边形粒状和短柱状， 晶体之间结合较好，玻璃相较少。氧化铝陶瓷由单一的锄2 0 3 组成，其纯度达 9 9 5 以上，无其他添加物。 硬脆材料脆性一延性转变的临界条件主要同硬脆材料的特性参数有关，当 k i c 、e 增大，h 减小时，硬脆材料容易由脆性向延性切削状态转变。试验用的 高纯度氧化铝陶瓷的临界切削深度为3 t u n ，单颗磨粒的切削深度小于氧化铝陶瓷 的临界切削深度时，材料主要以延性断裂方式去除。 天津大学硕士学位论文 第三章凹球面精密磨削加工原理与精密磨削加工设备 第三章凹球面精密磨削加工原理与精密磨削加工设备 凹球面精密磨削加工时，将精密磨削加工机理和凹球面的范成加工方法结合 在一起，在特定的精密磨削加工设备上实现。 3 1 微量7 j n t 理论 精密加工的关键是能够在被加工表面上进行微量加工，其加工量的大小标志 着精密加工的水平。 当前，精密切削主要以金刚石刀具精密车削和金刚石微粉砂轮精密磨削为代 表。微量切削时，其水平可达分子级、原子级，这就需要精密车床和精密磨床， 锋利的刀具和砂轮，其中，金刚石刀具刃口钝圆半径值就非常重要，对于纳米级 切削，刃口钝圆半径应为2 r i m ，而金刚石微粉砂轮的金刚石颗粒大小应为0 5 2 t t m ，甚至更小，并应有高精度的在线砂轮修整装置【1 2 1 。 微量切削的机理与一般切削是有很大差别的，因为这时的切屑厚度极小，背 吃刀量( 切削深度) 可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，因此，切削不是 在晶粒之间的破坏，切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀 刃上所承受的切应力就急速地增加并变得非常大。如在切削低碳钢的情况下，刀 刃上的切应力值接近材料的抗剪强度极限，当切削厚度在lum 以下时，被切材 料的切应力可达1 3 0 0 0 m p a 。刀刃在受到很大应力的同时，切削区会产生很大的 热量、刀刃切削处的温度会很高，要求刀具材料应有很高的高温强度和高温硬度。 因此，只有超硬刀具材料，如金刚石、立方氮化硼等才能胜任 1 4 1 。 1 、微切削作用 采用细粒度砂轮，用极小的修整导程( 砂轮轴向) ，即纵向进给量和修整深度 精细修整砂轮，使磨粒表面微细破碎而产生微刃，如图3 - 1 所示。从而，一颗磨 粒就形成了多颗磨粒，使磨粒变细，造成了微切削作用，得到了低粗糙度表面。 2 、滑挤、摩擦、抛光作用 砂轮修整得到的微刃开始比较锐利，切削作用较强，随着磨削时间的增加而 逐渐钝化，同时，等高性得到改善。这时，切削作用减弱，滑挤、摩擦、抛光作 用加强。同时，磨削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面的 天津大学硕士学位论文第三章凹球面精密磨削加工原理与精密磨削加工设备 凸峰辗平，降低了表面粗糙度。 砂轮磨粒锐利 订田 孟化钝化 图3 - 1 磨粒的微刃性和等高性 3 、微刃的等高切削作用 砂轮精细修整所形成的微刃，分布在砂轮表层上，具有很好的等高性，从而 使加工表面的磨削残留高度极小，且均匀而无过深的划痕，降低了表面粗糙度。 3 2 脆- 陛材料的延性域磨削 在一定的条件下，脆性材料通过精密磨削能产生无裂纹无缺陷的表面，这种 加工称为延性域磨削。目前延性域磨削作为硬脆材料高质量高精度零件的重要加 工方法已引起工业界的特别关注，特别是在生产结构陶瓷零件的镜面磨削领域中 起着日益重要的作用。 为了控制加工表面裂纹的产生，发展了延性域磨削技术。1 9 8 9 年，t g b i f a n o 明确提出加工脆性材料的延性域磨削新工艺，认为采用高刚度高分辨率精密磨 床，通过控制进给率，就可使硬脆材料以延性域模式去除材料。b i f a a o 对延性域 磨削方式的定义是基于脆性材料被磨表面的破碎表面相对面积率，b i f a n o 定义的 延性域磨削方式下，被磨表面的破碎表面面积率为1 0 及以下。在磨削陶瓷等 硬脆材料时，如果把磨削深度控制在相应的量级，则脆性材料在磨削过程中的去 除机制可由脆性去除变为延性流动i l5 1 。 实现脆性材料延性域精密磨削加工的条件是，砂轮单个磨粒的最大切削深度 应小于脆性材料的临界切削厚度a c ，如公式( 3 1 ) 所示。 a 。= 0 1 5 唔，售，2 其中：e 为材料的弹性模量，m p a ； 日为材料的显微硬度，g p a ； 五为材料的断裂韧性，m p a 4 磊。 公式应考虑实际磨削条件影响，需进行模型系数的修正。 公式( 3 1 ) 天津大学硕士学位论文第三章凹球面精密磨削加工原理与精密磨削加工设备 从理论分析可知，砂轮平均磨粒尺寸、砂轮速度、工件速度以及磨削深度等 因素是影响脆性材料延性域磨削的重要因素。此外，为了实现稳定的延性域方式 去除，对机床主轴回转精度、剐度、机床导轨的运动精度、进给控制系统的分辨 率、砂轮修整等都有很高的要求。选择合适磨削参数，使磨粒实际磨削深度小于 临界切削深度，可在延性域磨削过程中形成磨削加工表面。延性域磨削方式能获 得相当好的表面质量，但这种加工方式效率较低且成本高。 单颗磨粒未变形切屑厚度如公式( 3 - 2 ) 所示。 _ i l 。= 【4 圪( e 一) 】( 吒t ) ” ” 公式( 3 - 2 ) 其中：a c 为砂轮磨削深度，l l l l n ； 也为砂轮直径，1 1 1 1 1 1 ； v 。为工件线速度，m s ； v s 为砂轮线速度，m s ； c 。是磨粒表面密度( 砂轮表面每单位面积上有效工作磨粒数) ； r 是切屑宽度与未变形切屑平均厚度之比。 由公式( 3 2 ) 可知，其它条件不变，提高砂轮速度可以在不降低材料去除 率的前提下减小单颗磨粒未变形切屑厚度。这就使单颗磨粒的磨削力较小，表面 粗糙度小，表面碎裂少，表面强度损失减小。因此高速、超高速磨削有可能成为 一种既减少材料表面碎裂的成分，并能得到高磨除率的加工方式。 超高速磨削时，由于磨削速度很高，单个磨屑形成的时间极短。在极短的时 间内完成的磨屑的高应变率形成过程与普通磨削有很大的差别，表现为工件表面 弹性变形层变浅，磨削沟痕两侧因塑性流动而形成的隆起高度变小，磨屑形成过 程中的耕犁和滑擦距离变小，工件表面层硬化及残余应力倾向减小。特别是磨粒 在磨削区上的移动速度和工件的进给速度均大大加快，加上应变率响应温度滞后 的影响，